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高速流中の微粒子周りの流体力学に関する研究

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2025年2月～2026年1月)

報告書番号: R25JACA55

利用分野: JSS大学共同利用

PDF(準備中)

  • 責任者: 永田貴之, 名古屋大学
  • 問い合せ先: 永田貴之（名古屋大学, 助教）(nagata.takayuki.x7@f.mail.nagoya-u.ac.jp)
  • メンバ: 野々村 拓, 永田 貴之, 高橋 駿太

事業概要

圧縮性混相流を念頭に, 微粒子を含む流れや微粒子周りの流れをNavier-Stokes方程式の直接数値解析により調べる. これにより, ロケットエンジンの排気ジェットなど微粒子を含む高速流の現象理解のための基礎的知見を獲得する. 具体的には, 亜音速から超音速流れ中の微粒子間の流体力学的干渉効果や衝撃波や乱流と微粒子の干渉などを対象とする. 粒子に働く揚力や抗力, モーメントを明らかにするとともに, 流れ場の速度分布や圧力分布など詳細な情報からその流体現象を解明する. 本研究で対象とする流れ場は高速流れ中の微粒子が移流し, 衝撃波や乱流, 剪断層を通過する際の条件を想定している. 申請者のこれまでの研究で得られた一様流中の単体粒子周りの高速流れの知見に加え, 粒子間の流体力学的干渉や粒子による衝撃波や乱流の変調など流れ場の大局的な構造への影響を明らかにすることで圧縮性混相流の高精度モデリングに向けたデータベース構築を進める.

参照URL

なし

JAXAスーパーコンピュータを使用する理由と利点

本研究ではNavier-Stokes方程式の直接数値シミュレーションによるパラメトリックスタディを行うため, 大規模並列計算が必要となる.

今年度の成果

　衝撃波粒子相互作用過程における粒子温度とマッハ数が抗力係数に与える影響を3次元圧縮性ナビエ・ストークス方程式の直接数値シミュレーションにより調べた. 3次元シミュレーションと軸対称シミュレーションを実施した. 粒子レイノルズ数は300, 200に設定し, 粒子マッハ数と粒子温度を変化させた. 粒子表面には等温条件または断熱条件を課した. 衝撃波との干渉による急峻な抵抗係数増加（図１）について力積による評価を行い, 粒子温度と粒子マッハ数が抗力係数に与える影響をさまざまな条件下で明らかにした（図２）. 低マッハ数で圧力成分, 高亜音速で粘性成分が大きくなり, トータルではピークが二領域に現れる. このピークは特に低温度比（粒子表面温度が衝撃波背後の温度より低い）の場合に強調される. 得られた抵抗係数の増分を定常の抵抗モデルで推定した抵抗係数に足し込むことで圧縮性の混相流計算に利用することができる.

　また, データ駆動型低次元モデルを応用した固気混相流の数値計算手法の開発に向けてデータベース構築と試行的な計算を行った.

Annual Report Figures for 2025

図1: 主流方向速度場のスナップショットと抵抗係数の時間履歴の例

 

Annual Report Figures for 2025

図2: 衝撃波と干渉することによって生じた力積増加量と定常状態での抗力により生じる力積の比

 

成果の公表

-口頭発表

Takahashi, S., Nagata, T., and Nonomura, T., "Particle temperature and Mach number effects on drag coefficient in shock-particle interaction," APS Division of Fluid Dynamics Annual Meeting 2025, Houston, USA (2025).

髙橋駿太, 永田貴之, 野々村拓, 「衝撃波-粒子干渉流れにおける粒子温度とマッハ数効果の数値解析-抵抗増加の力積による評価-」, 第23回日本流体力学会中部支部講演会, 長野（2025）.

髙橋駿太, 永田貴之, 野々村拓, 「POD-Galerkin Projectionを援用した物体周り流れの低解像度埋め込み境界法計算」, 第39回数値流体力学シンポジウム, 福岡（2025）.

永田貴之, 髙橋駿太, 野々村拓, 「ROM援用埋め込み境界法による準粒子解像計算に向けた検討 -定常解や時間平均場を利用したモデル化-」, 第39回数値流体力学シンポジウム, 福岡（2025）.

JSS利用状況

計算情報

  • プロセス並列手法: MPI
  • スレッド並列手法: OpenMP
  • プロセス並列数: 1 - 2
  • 1ケースあたりの経過時間: 50 時間

JSS3利用量

 

総資源に占める利用割合※1(%): 0.07

 

内訳

JSS3のシステム構成や主要な仕様は、JSS3のシステム構成をご覧下さい。

計算資源
計算システム名 CPU利用量(コア・時) 資源の利用割合※2(%)
TOKI-SORA 1995503.61 0.09
TOKI-ST 0.00 0.00
TOKI-GP 0.00 0.00
TOKI-XM 0.00 0.00
TOKI-LM 0.00 0.00
TOKI-TST 0.00 0.00
TOKI-TGP 0.00 0.00
TOKI-TLM 0.00 0.00

 

ファイルシステム資源
ファイルシステム名 ストレージ割当量(GiB) 資源の利用割合※2(%)
/home 0.00 0.00
/data及び/data2 0.00 0.00
/ssd 0.00 0.00

 

アーカイバ資源
アーカイバシステム名 利用量(TiB) 資源の利用割合※2(%)
J-SPACE 17.95 0.05

※1 総資源に占める利用割合：3つの資源(計算, ファイルシステム, アーカイバ)の利用割合の加重平均.

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

 

ISV利用量

ISVソフトウェア資源
利用量(時) 資源の利用割合※2(%)
ISVソフトウェア(合計) 0.00 0.00

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2025年2月～2026年1月)